Interface radio IR-UWB reconfigurable pour les réseaux de microsystèmes communicants

Reconfigurable IR-UWB radio interface for wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Aubin Lecointre
• Direction : Daniela Dragomirescu, Robert Plana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Doctorat Conception des circuits microélectroniques et microsystèmes
• Date : Soutenance le 01/10/2010
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - LAAS
• Jury : Président / Présidente : Jean-marie Dilhac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniela Dragomirescu, Robert Plana, Dominique Houzet, Andrew Thain, Jacques Turbert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Deval, Ian O'connor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transmission numérique

Circuits intégrés numériques

Électronique numérique

Traitement du signal -- Techniques numériques -- Appareils et matériel

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Bande de base numérique

Impulse Radio

Réseaux de capteurs

Sans fil

Interface radio

Reconfigurabilité

Asic

Ultra-WideBand (UWB)

Fpga

Radiocommunication

Digital baseband

Radiocommunication

Ultra-WideBand (UWB)

Impulse Radio

Wireless Sensor Networks

Radio interface

Reconfigurability

Asic

Fpga

Résumé

Les travaux présentés lors de cette thèse s’inscrivent dans le cadre des réseaux de microsystèmes communicants dont les réseaux de capteurs sont l’exemple le plus connu. La problématique adressée est la conception d’une interface radio communicante répondant aux besoins spécifiques des microsystèmes communicants : simplicité, faible coût, faible consommation, faible encombrement, haut débit et reconfigurabilité. Les technologies actuelles sans fil comme le WiFi, le Bluetooth, et Zigbee ne sont pas en mesure de répondre à ces contraintes spécifiques. L’étude se focalise sur la technologie IR-UWB (Impulse Radio Ultra-WideBand). Dans un premier temps, une étude conjointe sur la capacité du canal et l’implémentation matérielle est menée pour déterminer l’architecture optimale des émetteurs-récepteurs en IR-UWB. Cette étude propose l’utilisation d’une architecture multi bandes IR-UWB (MB-IR-UWB) à implémentation mixte à 60 GHz avec des antennes directives. Cette solution est optimisée sur les critères de débit et puissance consommée. Afin de supporter l’ensemble des besoins des applications des réseaux de microsystèmes communicants et l’évolution de l’environnement d’opération, la reconfigurabilité doit être implémentée dans les émetteur-récepteurs proposés. Ces travaux présentent une proposition de reconfigurabilité par paramètres, qui permet de supporter la plus grande gamme de reconfigurabilités multi propriétés (débit, taux d’erreur, portée, puissance consommée, …) de l’état de l’art. Enfin, pour valider par la mesure les travaux sur la reconfigurabilité et sur les architectures d’émetteur-récepteurs IR-UWB, des implémentations FPGA et ASIC sont réalisées. Un nouveau procédé de synchronisation et démodulation conjointe reconfigurable est proposé dans le récepteur IR-UWB BPSK S-Rake. Les mesures montrent que le circuit de traitement proposé améliore les performances en synchronisation, démodulation, efficacité, débit du réseau, consommation et complexité du circuit. L’émetteur-récepteur IR-UWB reconfigurable proposé atteint un débit et une gamme de reconfigurabilité supérieure à l’état de l’art.

The research work presented in this thesis is situated in the framework of wireless sensor networks (WSNs). The issue addressed is the design of a radio interface answering the specific needs of WSNs: simplicity, low cost, low power, small size, high data rate and reconfigurability. Current wireless technologies like WiFi, Bluetooth, and Zigbee are not able to respond to these requirements. Thus this study focuses on Impulse Radio Ultra-WideBand (IR-UWB) technology. At first, a joint study of the channel capacity and the hardware implementation is carried out to determine the optimal architecture of IR-UWB transceivers. This study proposes an architecture using multi-band IR-UWB (MB-UWB-IR) with a mixed implementation at 60 GHz with directional antennas. This solution is optimized according to the criteria of data rate and power consumption. To support the all the needs of WSN applications and to adapt to the evolution of the WSN’s environment, reconfigurability must be implemented in the proposed IR-UWB transceiver. This thesis presents a new solution: the reconfigurability by parameters. It supports the widest range of multi-property reconfigurability (with respect to data rate, bit error rate, radio range, power consumption, ...) of the state of the art. Finally, to validate these techniques by measurements, FPGA and ASIC implementations are realized by using the reconfigurability and the IR-UWB transceiver architecture proposed. A new method for joint synchronization and demodulation is proposed for a reconfigurable IR-UWB BPSK S-Rake receiver. The measurements show that the proposed technique improves the circuit performance: synchronization, demodulation, efficiency, network throughput, power consumption and complexity of the circuit. The proposed IR-UWB reconfigurable transceiver achieves a data rate and a wider range of reconfigurability compared to the state of the art